朗伯余弦定律

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第2章 光电检测技术基础
2.2.2 光度量 (Photometry)
什么是光度量？ Photometry is the science of the measurement of light, in terms of its perceived brightness to the human eye. 光度量学是以人眼感知的亮度来测量光的科学。 光度量与辐射度量有何区别？ 1. 光度量仅限于可见光，红外和紫外人眼根本看不见，无法采用光度 量。辐射度量是绝对度量，度量波长的范围更广（整个电磁波谱）。
2. 在可见光范围内，光度量与辐射度量以一条曲线联系起来。
什么样的曲线？
第2章 光电检测技术基础
人眼对不同波长的光的敏感程度是不一样的（即便 它们的辐射（光）功率相同）
http://knol.google.com/k/light-and-vision#
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第2章 光电检测技术基础
2.2.2 光度量 (Photometry)
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第2章 光电检测技术基础
辐射度量（Radiometry）
辐射能(Q)：简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量， 单位焦耳(J）
例：地球表面垂直阳光方向上，每平方米面积上每分钟太阳辐射能 48000J。
辐射密度(w) ：定义为单位体积元内的辐射能，即
w
dQ dv
辐射通量(Φ,P):定义为以辐射的形式发射、传输或接收的功率，用 以描述辐能的时间特性。又称辐射功率。 dQ dt
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第2章 光电检测技术基础
辐亮度 (L)：定义为光源在垂直其辐射传输方向上 单位表面积单位立体角内发出的辐射通量，即
d 2 dI L d dA cos dA cos
与dA法线的 夹角
辐亮度在光辐射的传输和测量中具有重要的作 用，是光源微面元在垂直传输方向辐强度特性的描 述 辐射亮度与辐射强度有何区别？ 前者描述面光源，后者描述点光源。 例如对白炽灯，我们只关注作为点光 源的辐射强度，对于天空辐射特性， 希望知道各个部分的辐射特性，因此 用辐亮度。
光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。表2-3列出了基 本光度量的名称、符号、定义方程及单位、单位符号。
Luminous energy Luminous flux Luminous intensity Luminance Luminous emittance Illuminance Luminous efficacy
•真空中速度约为每秒30万公里。
•无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ 射线 都是电磁波。差别仅在于波长。
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第2章 光电检测技术基础
2.1电磁波的性质与电磁波谱
何谓电磁波谱：
为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频 率的顺序把这些电磁波排列起来，这就是电磁波谱。
第2章 光电检测技术基础
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第2章 光电检测技术基础 光通量V和辐射通量e可通过人眼视觉特性进行转换，即 V ( ) KmV ( )e ( ) 式中，Km最大光谱光视效能，V()是平均人眼光谱光视效率(或 称视见函数( luminosity function)) 下图给出人眼对应明视觉(photopic )和暗视觉(scotopic )的视见函 数( luminosity function)。
V K m 0 V ( ) e ( ) d K K mV e ( ) d

0
e
常见光源的光视效能 光视效能(lm/W) 光源类型 钨丝灯(真空) 钨丝灯(充气) 石英卤钨灯 气体放电管 8~9.2 9.2~21 30 16~30 日光灯 高压水银灯 超高压水银灯 钠光灯 27~41 34~45 40~47.5 60 光源类型 光视效能(lm/W)
例：某He-Ne激光器的具有的辐射通量（辐射功率）为5mW。
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第2章 光电检测技术基础
辐射强度（I）：定义为在给定传输方 向上的单位立体角内光源发出的辐射 通量，即
I d d
何谓立体角？
辐射强度描述了光源辐射的方向特 性。
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第2章 光电检测技术基础
2.2 辐射度量与光度量
立体角 （steradian）
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第2章 光电检测技术基础
辐射出射度 (M)：定义为离开光源表面单位面元的辐射通量， 即 d M dA 面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。例如，太阳表 面的辐射出射度指太阳表面单位表面积向外部空间发射的辐射 通量。 辐照度 (E ）：定义为单位面元被照射的辐射通量，即
E d dA
L
E

第2章 光电检测技术基础
问题
• 前面我们介绍了光源的度量，探测器的性能又是 如何度量的呢？
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第2章 光电检测技术基础
2.3 光电检测器件的特性参量
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第2章 光电检测技术基础
(1) 外光电效应(external photoelectric effect)：当光子入射到探 测器阴极表面(一般是金属或金属氧化物)时，探测器把吸收的入 射光子能量(h=hc/)转换成自由电子的动能，当电子动能大于电 子从材料表面逸出所需的能量时，自由电子逸出探测器表面，在 外电场的作用下，形成了流向阳极的电子流，在外电路产生光电 流。
定义为：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部分 的表面积dS和球半径r平方之比 。
d S r 2 sin d d d 2 sin d d 2 r r
式中，为天顶角；为方位角；d d分别为其增量。立体角的单位 是球面度(sr)
y
θ dA
r dS
d dA sin d d r2
设朗伯微面元ds亮度为L，则辐射到dA上的辐射通量为
d 2 P L cos sin dsd d
在半球内发射的总通量P为 按照出射度的定义得
P Lds d
0 2
y
/2
0
cos sin d Lds
第2章 光电检测技术基础
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第2章 光电检测技术基础
本章的wk.baidu.com要内容
2.1 电磁波的性质与电磁波谱 2.2 辐射度量与光度量基础 2.3 光电检测器件的特性参量
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第2章 光电检测技术基础
2.1电磁波的性质与电磁波谱
何谓电磁波：
•在空间传播着的交变电磁场，即电磁波 （Electromagnetic wave）。
第2章 光电检测技术基础
照度计原理
问题：漫射光器、减光器、校正滤光片各起什么作用？ 漫射光器：将入射光改为漫射光，防止菲涅耳反射, 造成测量不准 减光器：防止探测器饱和,增大量程 。 校正滤光片：校正探测器的光谱响应，与视见函数V()一致。
第2章 光电检测技术基础
回顾
第一章 绪论 1.认识光电检测系统，各领域的典型应用。 2.典型光电检测系统的组成 3.光电检测系统的主要应用范围
明视觉：峰值出现波长为555nm,峰值683 lm/W
暗视觉：峰值出现波长为507nm,峰值1725 lm/W
结论：杆状细胞比锥状细胞更敏感
问题：曲线是如何测量出来的？
http://knol.google.com/k/light-and-vision#
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第2章 光电检测技术基础 为了描述光源的光通量与辐射通量的关系，通常引入光视 效能Ｋ，其定义为目视引起刺激的光通量与光源发出的辐射 通量之比，单位为lm/W。 它度量了同样的辐射功率下人眼 的不同亮度感觉。
辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但 却分别用来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。
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第2章 光电检测技术基础
辐照度 (E ）：定义为单位面元被照射的辐射通量，即
E d dA
辐照度和辐射出射度具有相同的定义方 程和单位，但却分别用来描述微面元发 射和接收辐射通量的特性。
第2章 光电检测技术基础

x
z
平面角（弧度）
立体角（球面度）
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第2章 光电检测技术基础 辐射强度（I）：定义为在给定传输方向上的单位立体角内光 源发出的辐射通量，即 d I d
大多数光源向空间各方向的 辐射强度是不均匀的。辐射 强度描述了光源在空间某个 方向上发射辐射通量的大小 和分布。
钨丝白炽灯发光强度 的空间分布
辐射度量与光度量
• 辐射度量（Radiometry）：能量的分布的强弱、 时间、空间等特性 • 光度量 (Photometry) ：考虑到人眼的主观感受
第2章 光电检测技术基础
辐射度量（Radiometry）
是用能量单位描述辐射能的客观物理量
• • • • •
辐射能(Q) Radiant energy,焦耳（Joule) 辐能密度 (w) Radiation density, Joule per cubic metre 辐射通量（Ф )或称辐射功率,Radiant flux, 瓦（Watt) 辐射强度（I) Radiant intensity ,Watt per steradian 辐亮度 (L)Radiaance, Watt per steradian per square metre • 辐射出射度(M) Radiant exitance, watt per square metre • 辐照度(E) Irradiance, watt per square metre
每周案例
• 这是什么？
照度计 测量单位面积上被照射的光通量 价格:数十元-上万元
第2章 光电检测技术基础
照度计原理
光辐射探测器放在待测平面，光照引起探测器的光电流，放大后通 过仪表或数字读出。对于标定过的照度计，读出的数据代表了所测 平面的照度值。 照度计的基本结构是光电测量头及其示数装置。
问题：漫射光器、减光器、校正滤光片各起什么作用？
为什么不一样？ 明视觉，视网膜锥状细胞cone cell 暗视觉，视网膜杆状细胞rod cell 哪种多些？ 杆状细胞
http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/vision_background.php
第2章 光电检测技术基础
图中杆状细胞和锥状细胞敏感度曲线为何有这么大 差别？
L
即
I0 I dA dA cos
I I 0 cos
即在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规 定方向单位立 体角内发射(或反射)的辐射通量 和该方向与表面法线方向的夹角α的余弦成正 比——朗伯余弦定律。
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第2章 光电检测技术基础
2. 朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系
极坐标对应球面上微面元dA的立体角为：

dA
r
P M L ds
dS

x
z
朗伯体辐射空间坐标
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第2章 光电检测技术基础
对于处在辐射场中反射率为 的朗伯漫反射体( =1为理 想漫反射体)，不论辐射从何方向入射，它除吸收(1- )的 入射辐射通量外，其它全部按朗伯余弦定律反射出去。 因此，反射表面单位面积发射的辐射通量等于入射到表面 单位面积上辐射通量(辐照度E)的倍。即M=E，故
第二章 光电检测技术基础 1.辐射度量与光度量 辐射能、辐射通量、辐射强度、辐亮度、辐照度…. 光量、光通量、发光强度、亮度、照度、视见函数
第2章 光电检测技术基础
关于CIE“平均人眼”的具体标准的讨论
• 问题：国际照明委员会所定义的“平 均人眼”是怎么确定的？视见函数是 如何获取的？ • 侯擎昊、茹锋同学做过调研 • 欢迎侯擎昊同学讲解自己的调研结果
问题：如何度量光的特性呢？
请看演示
第2章 光电检测技术基础
问题：如何度量光的特性呢？
某液晶显示器的参数： 对比度：350:1 亮度：250cd/m2 ? 响应时间 1ms 分辨率 1024*768 可视角度 -170°- 170° 40瓦的白炽灯泡的光通量为340流明（lm） ? 40瓦的日光灯的光通量为1100流明（lm） ? Lm是什么意思，白炽灯与日光灯为什么不一样？
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第2章 光电检测技术基础
2.2.3 朗伯辐射体（Lambertian）及其辐射特性
对于某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮度与方向无关，即 辐射源各方向的辐亮度不变，这类辐射源称为朗伯辐射体。
1. 朗伯余弦定律（Lambert's cosine law）
按照朗伯辐射体亮度不随角度 变化的定义，得
第2章 光电检测技术基础
各种环境照度值：单位lux ? • 黑夜：0.001—0.02；月夜：0.02—0.3；阴天室 内：5—50；阴天室外：50—500；晴天室内： 100—1000；阅读书刊时所需的照度：50—60； 家用摄像机标准照度：1400。 上述参数代表什么意思？
第2章 光电检测技术基础